第八章萃取§1 概述8-1 萃取概念及应用我们以手工洗衣服为例，打完肥皂、揉搓后，如何将肥皂沫去除呢？用清水多次漂洗，这是人们熟知的过程。

多次漂洗的过程即为化工中的液-固萃取过程。

如图8-1所示，漂洗次数越多，衣服与肥皂沫分离越完全，衣服越干净。

图8-1的衣物漂洗过程为错流萃取过程。

清水称作萃取剂，含沫水为萃取相，衣物和沫为萃余相。

皂沫为溶质A。

经验还告诉我们，每盆水揉搓的时间越长（即萃取越接近平衡），拧得越干（即萃取与萃余相相分离越彻底），所用漂洗次数越少（即错流级数越少）。

图8-1 错流萃取示意图萃取——利用混合物各组分对某溶剂具有不同的溶解度，从而使混合物各组分得到分离与提纯的操作过程。

例如用醋酸乙酯萃取醋酸水溶液中的醋酸。

如图8-2所示。

图8-2萃取示意图萃取用于沸点非常接近、用一般蒸馏方法分离的液体混合物。

主要用化工厂的废水处理。

如染料厂、焦化厂废水中苯酚的回收。

萃取也用于法冶金中，如从锌冶炼烟尘的酸浸出液中萃取铊、锗等。

制药工业中，许多复杂有机液体混合物的分离都用到萃取。

为使萃取操作得以进行，一方面溶剂S对稀释剂B、溶质A要具有不同的溶解度，另一方面S与B必须具有密度差，便于萃取相与萃余相的分离。

当然，溶剂S具有化学性质稳定，回收容易等特点，则将为萃取操作带来更多的经济效益。

萃取过程计算，习惯上多求取达到指定分离要求所需的理论级数。

若采用板式萃取塔，则用理论级数除以级效率，可得实际所需的萃取级数。

若采用填料萃取塔，则用理论级数乘以等级高度，可得实际所需的萃取填料层高度。

等级高度是指相当于一个理论级分离效果所需的填料层高度，等级高度的数据十分缺乏，多需由实验测得。

萃取理论级数的计算，仍然离不开相平衡关系的物质平衡关系。

§2 萃取溶解度曲线8-2 三角形相图表示法以A、B、S作为三个顶点组成一个三角形。

三角形的三个顶点表示纯物质，一般上顶点表示溶质A，左下顶点表示稀释剂B，右下顶点表示溶剂S。

三角形的三条边表示二元混合物的组成，例如AB连线表示溶质A与稀释剂B的二元组成。

三角形内的平面表示三元混合物的组成。

如图8-3所示。

图8-3 三角相图溶解度曲线三角形相图作图复杂，用于萃取计算时，易引入较大误差；若为组成是大于3的几元物系，三角相图亦无能为力；加之有关化工单元操作的书藉均有三角相图的详细论述，所以，本教程讨论从略。

8-3 直角坐标表示法若稀释剂B与溶剂S不互溶或互溶性很小时，可以认为萃取相中只有组分A与S，萃余相中只有组分A与B。

萃取相中溶A的含量可用质量比组成Y表示，Y的单位为[1BkgkgA-⋅。

当物系达于⋅。

萃余相中溶质A的含量用X表示，X的单位为]kgA-[1S]kg平衡时，得到一组对应的X与Y。

将若干组X、Y值，描绘在X—Y座标图上，可得一曲线，此即液—液萃取溶解度曲线，或称分配曲线。

用数学式表示为fY=(X)有时亦有用质量分率y、x来表达溶解度曲线的，此时y表示溶质A在萃取相中的质量分率，x表示溶质A在萃余相中的质量分率。

在x—y座标图上描绘的曲线，亦称为分配曲线。

用数学式表达为=y')f(x大多数物系在低浓度情况下，x和y成线性关系，即n A n x k y = (Ⅰ)式中A k 称为分配系数，式（Ⅰ）称为能斯特分配定律。

同理，在低浓度情况下，对于大多数物系，Y 与X 亦近似成线性关系，即n n mX Y = …………（Ⅰa ）如果某物系服从能斯特分配定律，即服从式（Ⅰ）和式（Ⅰa ）的关系，则将使我们的萃取过程计算大为简化。

8-4溶解度曲线举例【例8-1】 以三氯乙烷为溶剂，由丙酮一水溶液中萃取丙酮。

其溶解度平衡数据如表8-1所示。

试将其换算为质量比组成，标绘在直角坐标图上，并求出近似的分配系数m 值。

表8-1 丙酮—水—三氯乙烷系统平衡数据（质量百分率）解：以第一组数据计算为例，0962.093.9075.8,0637.052.9396.5====Y X 现将计算结果列在表8-2中，再将表8-2数据标绘在图8-4中，得Y =1.62X ，即m =16.2。

表8-2 【例8-1】附表图8-4 丙酮—水—三氯乙烷相平衡曲线§3 错流萃取操作 8-5 错流萃取公式推导错流萃取流程如图8-5所示。

组成为f X 的原料液与组成为s Y 的萃取剂接触萃取，出第一级组成为X 1的萃余相，又与新鲜萃取剂接触萃取，依此类推，……直到出第N 级的萃余相组成X N ，达到指定的分离要求为止。

图8-5 多级错流萃取流程示意图假设稀释剂B 与萃取剂S 的互溶性可以忽略，对图8-5的虚线范围作溶质A 的物料衡算得)()(1s n n n n Y Y S X X B -=-- (Ⅱ)∴ )(1---=-n n ns n X X S BY Y …………（Ⅱa ） 式中，1-n X ，n X ——进、出第n 级的萃余相质量比组成，B kg kgA 1-⋅； s Y ，n Y ——进、出第n 级的萃余相质量比组成，S kg kgA 1-⋅；B ——稀释剂质量流率，1-⋅r h kgB ； n S ——第n 级的萃取剂质量流率，1-⋅r h kgS式中（Ⅱ）、（Ⅱa ）均为错流萃取的物料衡算方程，或称错流萃取操作线方程。

式（Ⅱa ）表示，离开任一级的萃取相组成n Y 与萃余相组成n X 之间的关系。

在直角坐标图上，它为一直线方程。

此直线通过点（1-n X ，s Y ），其斜率为n S B /-。

且与分配曲线之交点为点（n X ，n Y ）。

当n=1时，则式（Ⅱa ）为)(111f s X X S BY Y --=-，此方程通过（f X ，s Y ），且斜率为1/S B -， 此线与相平衡曲线交点为（1X ，1Y ）。

当n=2时，则式（Ⅱa ）为)(1222X X S BY Y s --=-，此方程通过（1X ，s Y ），且斜率为2/S B -， 此线与相平衡曲线交点为（2X ，2Y ）。

依此类推，当时，n X ＜N X 时，停止作图，每利用一次操作线和一次平衡线，即为一个理论级数。

上述即为图解法求错流萃取理论级方法的简要介绍。

如图8-6所示。

图8-6 多级错流萃取图解法若为等溶剂错流萃取，就是说每次所用萃取剂用量都相等，即S S S S n ==== 21 ………… (a ）代入式（Ⅱ）得，)()(1s n n n Y Y S X X B -=-- …………（b ）若分配曲线为一直线，其方程为n n mX Y = …………（Ⅰa ）联立式（Ⅰa ）和式（b ）得 )()(1s n n n Y mX S X X B -=-- s n n Y B S X X B mS +=⎪⎭⎫⎝⎛+-11Sm B SY X BmS X s n n +++=-111…………（c ） 令BmS p +=11，Sm B SY q s +=，则上式为 q pX X n n +=-1 …………（d ） 当n=1时，q pX X +=01n=2时，q q pX p q pX X ++=+=)(012q p X p )1(02++=n=3时，q pX X +=23 q p p X p )1(203+++=………n=N 时，q p p pX p X N N N N )1(210+++++=-- q p p X p N N110--+=1)1(0---+=p qp q X p N∴ 110-+-+=p q X p q X p N N⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡-+-+=⇒11ln ln 10p q X p q X p N N ⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡-+-+=11ln 1ln 10p q X p q X p N N …………（e ）∵f X X BmS p =+=0,11mY Sm B B SY BmS mS B SY p qS S S -=--=-++=-111)/(1代入式（e ）得 ⎥⎦⎤⎢⎣⎡--+=m Y X m Y X BmS N S N S f //ln )1ln(1…………（Ⅲ） 式（Ⅲ）为等溶剂且分配曲线为直线的错流萃取理论级数的计算方式。

8-6 错流萃取举例【例8-2】 用错流萃取装置，以三氯乙烷（S ）为溶剂，由丙酮（A ）水（B ）溶液中萃取丙酮。

原料液的质量流率为3001-⋅r h kg ，组成为0.333（质量分率，下同），萃取剂的组成为0.0476。

已知该错流萃取装置相当于4个理论级。

欲使萃余相中丙酮的组成降至0.109，萃取剂总流率为若干？从【例8-1】中得知，该物系的相平衡曲线为Y =1.62X 。

解：首先将组成换算为质量比组成][50.0333.01333.011B kg kgA x x X ff f -⋅=-=-=122.0109.01109.01=-=-=N N N X X X05.00476.010476.01=-=-=S S S y y Y再求稀释剂B 的流率。

⎩⎨⎧==+5.0/300B A B A ∴][2005.13001-⋅==hr kg B 题给：N =4，m =1.62，代入（Ⅲ）得⎥⎦⎤⎢⎣⎡--=+m Y X m Y X N B mS S N S f //ln 1)1ln( 41.062.1/05.0122.062.1/05.05.0ln 41)20062.11ln(=⎥⎦⎤⎢⎣⎡--=+S∴16.62-⋅=hr kg S ， 14.2506.6244-⋅=⨯==hr kg S S 总§4 逆流萃取操作 8-7 逆流萃取公式推导逆流萃取流程如图8-7所示。

组成为f X 的原料液与组成为S Y 的萃取剂呈逆流接触萃取。

图8-7 多级逆流萃取流程示意图假设稀释剂 B 与萃取剂S 的互溶性可以忽略，对图8-7的虚线范围作溶质A 的物料衡算得)()(1S n N n Y Y S X X B -=-- …………（Ⅳ） N S n n X SBY X S B Y -+=-1 …………（Ⅳa ） 式中，1-n X ——进入第n 级的萃余相质量比组成，B kgAkg 1-； n Y ——出第n 级的萃取相组成，S kg kgA 1-⋅； S Y ——萃取剂的初组成，S kg kgA 1-⋅； N X ——出第N 级的萃余相组成，B kg kgA 1-⋅； B ——稀释剂的质量流率，1-⋅hrkgB ； S ——萃取剂的质量流率，1-⋅hr kgS 。

式（Ⅳ）、（Ⅳa ）均为逆流萃取的物料衡算方程，或称逆流萃取操作线。

它们表达了nY 与1-n X 的关系，即离开任一级的萃取相组成与进入该级的萃余相组成的关系。

在直角坐标图上，式（Ⅳa ）是一条直线。

此直线通过点（N X ，S Y ），其斜率为B /S 。